CC BY
6
Kolebtsev Vladislav Igorevich, student, vkolebcev@,yandex.ru, Russia, Kaluga, Kaluga branch of the Moscow State Technical University named after N.E. Baumana,
Grishunov Stepan Sergeevich, senior lecturer, stepangrishunov@bmstu.ru, Kaluga branch of the Moscow State Technical University named after N.E. Baumana
УДК 004.94:624
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-194-197
ИМИТАЦИОННОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В ТОННЕЛЕ И ИХ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
ЯК. Исаева
Программное обеспечение в настоящее время дает широкий инструментарий для решения различного рода задач и изучения тех или иных процессов. Большинство таких программ основано на численном расчете некоторых формул, а другие основаны на создании полноценных имитационных моделей. Последний вариант получил широкое распространение среди различного рода инженеров и исследователей, и находит свое применение во многих отраслях, включая строительство подземных сооружений, где особое внимание уделяется разработке и совершенствованию вентиляционных систем, что связано в первую очередь с высокой ответственностью таких систем. Поэтому в настоящей статье проводится имитационное моделирование движения воздушных масс в тоннеле и приводятся его результаты с анализом полученной информации. Проводится сравнение естественного обновления воздуха в тоннеле и искусственного с применением различного числа вентиляторов с помощью математического моделирования и анализа данных в программе Ansys. Проводится сравнение по давлению и скорости воздуха. Даются рекомендации по выбору вентиляционной системы на основании полученных моделированием данных.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, тоннель, имитационное моделирование, сравнительный анализ, подземное строительство, воздушные массы, скорость.
Информационные технологии, статистика и обработка компьютерных данных сейчас позволяют решать широкий спектр задач. Одним из наиболее популярных на данный момент методом является компьютерное имитационное моделирование, которое в свою очередь один из способов аналитического исследования и обработки информации. Имитационное моделирование используется в самых разнообразных сферах, начиная от машиностроения и заканчивая строительством и горными работами [1-10]. Так с помощью этого метода возможно решение задачи в сфере строительства подземных сооружений, а именно в оборудовании подземных тоннелей для циркуляции и возобновлении воздушных масс в области тоннеля. Такая задача является очень важной и связана с тем, что от ее решения зависит здоровье людей, так как тоннель является зоной повышенной опасности и из-за недостатка кислорода может произойти последствия в виде потерь сознания, ухудшения самочувствия и т.д. Так обычно эту проблему решают с помощью установки вентиляторов, однако необходимо учитывать необходимое их число, а также вероятность того, что в тоннеле воздух будет обновляться самостоятельно, например, от ветра или потоков движущихся автомобилей (или железнодорожного транспорта).
Поэтому в данной работе было проведено исследование потоков воздуха в тоннеле (рис. 1) и определены скоростные характеристики.
Исследование проводилось с помощью имитационного компьютерного моделирования, которое считается одним из наиболее передовых для решения различного рода задач. Программный комплекс, в котором проводилось моделирование был выбран Ansys, который позволяет решить поставленную задачу.
Помимо поставленной задачи, компьютерные моделирования позволяют еще и натолкнуться на непредвиденные факторы. Так при компьютерном моделировании можно натолкнуться на объекты и явления, которые не были предусмотрены при решении конкретной задачи, и впоследствии может привести к расширению круга исследуемых задач, а также найти неожиданное решение проблемы. Все это возможно, однако выявляется только после моделирования и обработки полученных этим способом данных.
194
Системный анализ, управление и обработка информации
\Ае1осйу
ЭГгеаглипе 1
Ш1 079е+00
\/е1осЙу ЙТгеатипе 4 7.337е+00
Уе1осйу З^еатипе 6
и
б
5.406е+00
1 806е+00
В В48е-03 [т зА-1|
а
в
Потоки воздуха в тоннеле
Было выбрано 3 варианта обновления воздушных масс в тоннеле: 1 - естественный, который проводится с помощью ветра, 2 и 3 - искусственный, с применением разного числа вентиляторов, расположенных в верхней части имитируемого тоннеля. Начальная скорость движения воздуха в тоннеле составляла 1 м/с, это касается и естественного (рис. 1, а) и искусственного обновления воздуха, однако при искусственном скорость движения увеличивалась за счет применения вентиляторов. Их число составило 3 (рис. 1, б) и 5 (рис. 1, в).
Наиболее важными характеристиками для нас являются скорости движения ветра и его давление. То есть эти 2 величины характеризуют обновляемость воздуха в тоннеле.
Было установлено, что в первом случае скорость воздуха составила в среднем на выходе примерно 1,01 м/с, а давление при этом составило 1,1 Па. Для второго тоннеля, в котором использовались 3 вентилятора, скорость и давление составило соответственно 1,12 м/с и 0,97 Па. В третьем случае величины составляли 1,22 м/с и 0,968 Па.
Таким образом установлено, что наличие 5 вентиляторов повышает среднюю скорость воздуха в тоннеле более, чем на 20%. Что достаточно для некоторых типов тоннелей, например, для тоннелей, имеющих одно направление движения транспорта. При использовании такого тоннеля для двустороннего движения автомобильного или железнодорожного транспорта требуется установка более мощного оборудования с большим диаметром лопастей. В каждом конкретном случае требуются дополнительные эксперименты или моделирования в специальных программных комплексах, которые поспособствуют решению настоящей конкретной задачи, а также натолкнут на возможные пути ее решения.
Список литературы
1. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. М.: Ленанд, 2010. 456 с.
2. Фомичев В.И. Вентиляция тоннелей и подземных сооружений. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1991. 200 с.
3. Маковский Л.В., Трофименко Ю.В., Евстигнеева Н.А. Вентиляция автодорожных тоннелей (учебное пособие) // Международный журнал экспериментального образования. 2009. № 4. С. 18-0.
4. Косарев Н.П., Бухмастов A.B. Исследование системы вентиляции Байкальского тоннеля БАМа при эксплуатации в условиях низких температур // Прогноз и регулирование теплового режима в горных выработках. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987. С. 34-37.
5. Proskurin A.Yu., Zheglova Ju.G. Ansys CFX study of aerodynamic characteristics during blade profile rotation // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2021. Vol. 17. No 4. P. 153-160.
6. Калинин К.А. Аналитический метод сравнения аэродинамики сооружений // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 100-103.
7. Крапивина Е.В. Движение воздушного потока в элементе вентиляционной системы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 210-213.
8. Попов А.Г. Исследование скоростных и температурных параметров вентиляционной системы с использованием программного обеспечения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 144-146.
9. Исаева Я.К. Аналитическое и компьютерное сравнение систем вентиляции тоннелей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 8. С. 109-112.
10. Газаров А.Р. Аналитический метод исследования аэродинамики здания с помощью программных средств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 271-274.
Исаева Яна Константиновна, магистрант, den-arti 777@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SIMULATION COMPUTER SIMULATION OF THE MOVEMENT OF AIR MASSES IN A TUNNEL
AND THEIR COMPARATIVE ANALYSIS
Y.K. Isaeva
The software currently provides a wide range of tools ^ for solving various kinds of problems and studying certain processes. Most of these programs are based on the numerical calculation of some formulas, while others are based on the creation of full-fledged simulation models. The latter option has become widespread among various kinds of engineers and researchers, and finds its application in many industries, including the construction of underground structures, where special attention is paid to the development and improvement of ventilation systems, which is primarily due to the high responsibility of such systems. Therefore, in this article, simulation modeling of the movement of air masses in a tunnel is carried out and its results are presented with an analysis of the information received. A comparison is made between natural air renewal in the tunnel and artificial air renewal using a different number of fans using mathematical modeling and data analysis in the Ansys program. A comparison is made in terms of mass flow and air velocity. Recommendations are given for choosing a ventilation system based on the data obtained by modeling.
Key words: computer modeling, tunnel, simulation modeling, comparative analysis, underground construction, air masses, speed.
Isaeva Yana Konstantinovna, master, den-arti777@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
